Введение к работе
Актуальность проблемы. Электромагнитные поля оптического диапазона низкой интенсивности оказывают влияние на функциональное состояние живых клеток, тканей и на организм в целом, поэтому из года в год растет интерес к лечению различных заболеваний естественными и искусственно создаваемыми физическими факторами. Наиболее часто в фототерапии применяют низкоинтенсивное излучение лазеров и светодиодных ламп (Oliveira et al, 2008; Ablon, 2010). Альтернативой является источник белого света, излучение которого модулируется с помощью светофильтров (Кару и др., 1984; Монич и др., 1994; Saczko et al., 2005). Светофильтры на основе фотолюминофоров (светопреобразующие материалы) позволяют использовать весь солнечный спектр, при этом УФ-компонента преобразуется в дополнительную к солнечному спектру оранжево-красную компоненту (преобразованный солнечный свет - ПСС). В литературе имеются лишь единичные упоминания об использовании таких материалов для биомодуляции функций животных организмов, в частности при фотостимуляции репаративных процессов (Воробьев, 1998).
Многие исследователи, получая положительный ответ при действии красного света, отмечают, что механизм данного влияния на живые системы пока не известен (Кару, 2005; Lane, 2006). В настоящее время показано, что основными первичными реакциями после светопоглощения в клетках и их окружении являются поглощение световой энергией фотоакцепторами (каталазой, супероксиддисмутазой, цитохром с оксидазой и др.), образование активных формы кислорода (АФК), образование оксида азота (NO), временное повышение локальной температуры (Владимиров и др., 2004; Grzelak et al., 2001; Jou et al., 2002; Kara, 2008; Xu et al., 2008).
Поскольку в настоящее время имеется лишь несколько работ, посвященных действию ПСС, мы исследовали влияние ПСС на различные тест-системы, начиная от воды до сложных систем - клетка, эмбрион, мышца, организм в стрессовых условиях.
Данное исследование направлено на изучение воздействия преобразованного солнечного света с дополнительной оранжево-красного компонентой (Xmax=626 нм) на биологические системы разных уровней организации, что является актуальным не только для решения ряда задач биомедицины, но и для выявления фундаментальных законов взаимодействия света с организмом млекопитающих.
Цель и задачи исследования
Целью работы является исследование воздействия преобразованного солнечного света на биологические объекты разного уровня организации. Были поставлены задачи:
-
Исследовать влияние преобразованного солнечного света на жизнеспособность клеточных культур;
-
Исследовать влияние преобразованного солнечного света на раннее эмбриональное развитие зародышей мышей в условиях in vitro;
-
Исследовать влияние преобразованного солнечного света на физическую работоспособность мышей и на их структурные характеристики клеток сердечной мышцы;
-
Исследовать влияние преобразованного солнечного света на функциональные и структурные характеристики сердечной мышцы гипертензивных крыс. Провести сравнительный анализ полученных результатов с эффектами от светодиодной матрицы, широко используемой в медицине;
-
Исследовать роль активных форм кислорода, как возможных регуляторов действия преобразованного солнечного света на культуре клеток фибробластов.
Научная новизна. Впервые показано, что добавление люминесцентной оранжево-красной компоненты на Хтт 626 им в состав солнечного света приводит к дозозависимому воздействию на жизнеспособность культивируемых in vitro клеток млекопитающих. Определены дозы светового воздействия, при которых происходит угнетение (155 Дж/см при облучении СС) и повышение жизнеспособности клеток линии НЕр-2 и ЗТЗ clone NIH (13,3 Дж/см2 при облучении ПСС).
Список сокращении:
СС - солнечный свет (моделируется с помощью ксепоновой лампы, спектр которой наиболее близок к солнечному спектру).
СС-УФ - солнечный свет без УФ-коипоненты.
ПСС - преобразованный солнечный свет (УФ-компонента преобразована в дополнительную оранжево-красную компоненту к солнечному свету, за счет действия фотолюминофора оксисульфида иттрия, активированного европием - Y202S(Eu); спектр возбуждения люминофора находится в УФ-диапазоне 200-370 нм, а спектр эмиссии - в области оранжево-красного света с максимумом люминесценции на 626 нм).
Впервые определены дозы светового воздействия и режимы облучения ПСС, при которых происходит угнетение (50 Дж/см2) и повышение жизнеспособности (20 Дж/см2) доимплантационных эмбрионов мыши и нормализация их развития в условиях in vitro.
Впервые установлено, что воздействие ПСС (31,1 Дж/см) увеличивает физическую работоспособность мышей линии CD-I (на 35%) и стимулирует у них активацию морфообразовательных процессов в клетках сердечной мышцы (наблюдается увеличение относительной площади сечения митохондрий, саркоплазматического ретикулума и миофибрилл).
Впервые обнаружено, что ПСС оказывает положительное влияние на структурно-функциональные характеристики клеток сердечной мышцы гипертензивных крыс линии SHR, проявляющееся в нормализации временных характеристик сокращения папиллярной мышцы крыс и в двукратном увеличении относительной площади сечения саркоплазматического ретикулума кардиомиоцитов.
Исследована гипотеза, объясняющая возможный механизм воздействия ПСС посредством стимуляции образования активных форм кислорода в водных растворах, запускающих каскады внутриклеточных реакций, в конечном счете, приводящих к структурно-функциональным изменениям в биологических системах, на примере культуры клеток фибробластов.
Научно-нрактнческаи значимость работы и внедрение результатов исследования. Полученные данные позволяют рекомендовать светопреобразующие материалы для использования в медицине и амбулаторно, как альтернативу применения других источников оранжево-красного света (светодиодная матрица, лазер). Светопреобразующие материалы могут найти применение при лечении сердечно-сосудистых заболеваний, в восстановительной и спортивной медицине (для повышения физической работоспособности) и в репродуктивных технологиях (для повышения жизнеспособности и нормализации развития культивируемых in vitro эмбрионов).
Работа выполнена в рамках исследований по проектам Российского фонда фундаментальных исследований (№04-04-27292) РФФИ; государственного контракта№ 02.513.12.3006.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в 6 статьях.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на российских и международных конференциях: Международные школы-конференции молодых ученых «Биология-наука XXI века» (Пущино, 2007; 2008; 2009), 11-я школа-конференция молодых ученых «Биомедицинская инженерия-2007» (Пущино, 2007), 5-й Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2009), International Conference «Medical Radiations; Research and application» (Marrakech, Morocco, 2010), конференция молодых ученых «Экспериментальная и теоретическая биофизика'11» (Пущино, 2011).
Объем и структура диссертации.
